铝合金铸造充型过程气体和氧化膜卷入的数值模拟研究进展

铝合金铸造充型过程中,由紊态自由表面引起的气体和氧化膜卷入直接决定了铸件中气孔缺陷和氧化膜夹杂的分布,对于实际铸件的力学性能有着重要的影响,Campbell在该领域进行了系统而又深入的研究,提出了一整套相关的理论。近十年来,有关铝合金铸造充型过程气体和氧化膜卷入的数值模拟已逐步发展成为铸造缺陷数值模拟领域一个新兴的研究热点,文中简要介绍了Campbell的氧化膜卷入理论,在此基础上总结了在气体和氧化膜卷入数值模拟领域国际上的发展概况,同时指出了目前研究中仍然存在的一些问题和未来的发展趋势。     

铝合金铸件氧化膜卷入的数值模拟

在直接有限差分法DFDM(Direct Finite Difference Method)进行铸件充型过程模拟的基础上,提出了充型过程自由表面碰撞中表面氧化膜破碎,及其后破碎氧化膜流动的计算模型.对试验铝合金铸件进行了模拟应用,使用特殊X射线装置对该铸件实际充型过程及自由表面进行了实时观察验证,通过实际铸件的气孔、收缩缺陷分布的检测,对氧化膜卷入模拟结果进行了定性验证分析.     

铸造工艺对ZL114A铝合金铸件性能的影响

通过试验和数值模拟方式研究了重力铸造和低压铸造两种浇注方式对ZL114A铝合金平板铸件组织和性能的影响。结果表明,在熔炼工艺、热处理工艺相同的情况下,低压铸造铸件的力学性能均高于重力铸造铸件的性能,特别是伸长率明显;重力铸造条件下,铝液充型过程金属液易产生紊流,引起双层氧化膜裹着气泡卷入铸件使铸件产生缩松和气孔,其是试样断裂的裂纹源;重力铸造时由于缺乏有效补缩压力,铸件内部有明显缩松缺陷;低压铸造可以使金属液平稳充型,铸件中不会卷入双层氧化膜,而且铸件无明显缩松缺陷。     

铝合金铸件充型过程及氧化膜卷入的数值模拟

对于直接有限差分法，提出了单元表面无量纲距离、表面充填比率和体积充填比率，以描述铸件充型过程中自由表面的形状，建立了相应的充型过程数学模型，考虑了自由表面形状对动量、质量和能量传输的影响；提出了充型过程自由表面碰撞中表面氧化膜破碎，及其后破碎氧化膜流动的计算模型。对实验铝合金铸件进行了模拟应用，通过实际铸件充型过程的特殊X射线实时观察和记录。及实际铸件的气孔、收缩缺陷分布的检测，对模拟结果进行了验证分析。结果表明：充型过程模拟结果与X射线实时观察结果吻合较好，尤其是自由表面的变化；氧化膜卷入模拟结果与实际铸件气孔、收缩缺陷的分布存在一定的对应关系。     

ZM6镁合金大型薄壁铸件数值模拟

用MAGMASOFT专业铸造软件对ZM6镁合金砂型薄壁件铸造过程进行了数值模拟,研究了铸件在充型和凝固过程中的温度场分布,预测了铸造过程中出现的各种缺陷.结果显示在铸件内浇道部位易出现气孔和氧化夹杂,而在铸件中部与补缩冒口连接处易出现缩孔、疏松缺陷.通过对铸件进行金相、SEM、EDAX分析,得出实际浇注铸件产生的缺陷与模拟结果相符合.     

铀铌合金铸件铸造过程中夹杂数值模拟研究

介绍了铸造过程中夹杂数值模拟的技术进展.基于氧化膜卷入机理,采用ProCAST软件中的粒子跟踪方法,对铀铌合金充型过程中夹杂物的运动轨迹进行了模拟.结果表明,当夹杂物的密度不大于15×103 kg/m3时,夹杂物最终位于铸件的顶部;当夹杂物的密度在(16～17)×103 kg/m3时,夹杂物在铸件的中部停留较长时间;当夹杂物的密度大于18×103 kg/m3时,夹杂物在铸件的底部.     

铝合金压铸件充型凝固过程及气体卷入的数值模拟

以复杂铝合金压铸件为对像,建立了三维模型及有限差分模型。通过数值模拟的方法对该铸件的充型过程、凝固过程及铸件的气体卷入情况进行模拟。通过对模拟结果的分析,预测了缺陷可能产生的区域,预测结果与实际情况吻合,并提出了相应的改进意见。     

铸件充型过程数值模拟误差分析

铸件充型过程的数值模拟是铸造过程计算机仿真的重要组成部分,近年来这方面的研究得到了充分的发展,已逐步达到工程实用化的阶段,但其在计算效率和模拟精度方面仍有待于进一步提高.本文对充型模拟过程进行了阐述,分析了铸件充型模拟过程中存在的有待于进一步解决的问题,并提出了进一步提高模拟精度的可能有效的途径.     

基于ProCAST的熔胶座移动板浇注系统模拟优化

基于ProCAST仿真平台对QT500-7熔胶座移动板进行了充型与凝固模拟及浇注系统的优化设计。鉴于铸件在充型过程中的氧化夹渣与冒口对铸件质量影响很大,因此对铸造过程中的流动场和温度场进行了研究。结果表明,良好的流道可以保证低的氧化夹渣,同时合理的冒口可以降低铸件的缩孔与缩松。该结果对同类铸件工艺设计具有一定的参考价值和指导意义。     

垂直缝隙式浇注系统充型特性的理论分析及模拟研究

基于相似理论建立了垂直缝隙式浇注系统充型过程的流体力学模型,并对低压铸造条件下利用此类浇注系统生产圆筒铸件时的充型状态进行了水模拟和数值模拟研究。结果表明,垂直缝隙式浇注系统难以实现平稳的逐层顺序充填效果,在充型初期液体首先沿立筒上升一段距离,并以类似顶注的方式进入铸型,容易导致液面翻腾和气体卷入,并在型腔中产生环流现象,造成铸型局部过热使得凝固温度场分布不合理,从而严重恶化铸件质量。     

镁合金半固态流变压铸型腔流动过程数值模拟的研究

利用数值模拟技术,模拟了镁合金液态压铸和半固态流变压铸成形充型流动过程.结果表明:半固态流变压铸成形在不同的内浇口尺寸与位置条件下都可以获得平稳的充型流动场,其工艺参数设计灵活;同等条件下,半固态流变压铸成形的型腔充填过程平稳,成形铸件的质量优于液态压铸成形.模拟结果与实验结果比较分析,两者的流动特征基本吻合.     

应用两相流模型模拟压铸充型过程的卷气现象

通过对压铸充型过程中卷气缺陷形成机理的分析,认为型腔中空气的流动以及与金属液之间的相互作用是形成卷气现象的主要原因.为了考虑型腔中空气的流动,采用了一种不可压缩两相流数学模型来模拟压铸充型过程的卷气现象.通过计算流体力学中的两个基准算例,较为全面地验证了该模型的准确性和可靠性.在此基础上,设计了专门针对压铸充型过程的高速水模拟实验,通过对可视化实验结果与两相流模拟结果的比较,证实二者吻合较好,说明了该模型能够较好地模拟液体的充填行为和卷入其中的气泡.     

熔模精密铸造蜡模充型过程的数值模拟

对熔模精密铸造料的流变性和充型过程进行了分析,确立了模料充型过程数值模拟的数学模型。利用计算机机数值模拟技术,建立了相关的软件系统。对端盖铸件的蜡模成型过程进行了模拟,结果与试验验证基本一致。     

Simulation of mold filling and prediction of gas entrapment on practical high pressure die castings

Element parameters including volume filled ratio, surface dimensionless distance, and surface filled ratio for DFDM (direct finite difference method) were proposed to describe shape and location of free surfaces in casting mold filling processes. A mathematical model of the filling process was proposed specially considering the mass, momentum and heat transfer in the vicinity of free surfaces. Furthermore, a method for gas entrapment was established by tracking flow of entrapped gas. The model and method were applied to practical ADC1 high pressure die castings. The gas entrapment prediction was compared with the fraction and maximum size of porosities in the different casting parts. The comparison shows validity of the proposed model and method. The study indicates that final porosities in high pressure die castings are dependent on both gas entrapment during mold filling process and pressure transfer within solidification period.     

铸造充型过程的数值模拟研究现状及发展

铸件充型过程计算机模拟仿真是铸造学科发展的前沿领域.分析了国内外铸造充型数值模拟的发展过程以及目前应用的最前沿数值模拟方法,论述了铸造充型模拟的数学模型、计算方法和实验验证方法,并提出了数值模拟现存的主要问题,阐述了充型过程数值模拟的发展趋势.     

YL112铝合金压铸充型凝固过程的数值模拟

简要介绍充型凝固过程数值模拟的实际意义，分析了充型凝固过程数值模拟的特点，利用建立的数学模型对YL112铝合金压铸件进行了模拟。通过对模拟结果的分析，预测了铸件在充型凝固过程中可能形成的缺陷，基本上与实际相符，并对现行的工艺方案提出了一些改进措施。     

高拉速薄板坯连铸结晶器钢渣界面波动分析

为应对提高拉速薄板坯结晶器内钢液不稳定行为,以1 520 mm×90 mm薄板坯结晶器为研究对象,利用液面追踪技术VOF方法建模计算,对薄板坯钢渣界面进行了深入研究,实现了对薄板坯连铸结晶器内流体流动及钢/渣界面行为的模拟计算。并结合实际生产工艺,采用1∶1物理模型和数值模拟相互验证,分析了拉坯速度、浸入深度和保护渣黏度种类对结晶器流场及钢渣界面的影响。结果表明,当结晶器钢液面流速为0.20~0.25 m/s,且界面较平稳时,保护渣黏度高于0.237 Pa·s可以适用;当钢液流速为0.25~0.30 m/s,保护渣黏度为0.382 Pa·s时,现场低碳钢卷渣率小于0.5%,表现出良好的抗卷渣能力。     

镁合金半固态流变压铸充型流动过程分析

通过压铸实验分析了镁合金半固态流变压铸、液态压铸充型流动过程.结果表明,镁合金半固态流变压铸和液态压铸充型流动过程相似;相同充型条件下,半固态流变压铸卷气现象较少,压铸件质量优于液态压铸.同时,内浇道充型速度和内浇道尺寸对压铸件充填过程影响很大,合理的设置可以减少涡流和卷气,得到高质量的压铸件.     

铸造充型与凝固过程的变网格数值模拟研究

鉴于充型过程的模拟计算极为复杂，是铸造模拟过程中耗时最多的部分，为缩短充型过程计算时间，提高计算效率，提出了一种利用变网格进行模拟计算的新思路，即采用不同的空间步长分别模拟计算充型和凝固过程，在充型过程的模拟计算中采用比较大的网格，而在凝固过程的模拟计算中采用比较细的网格，并设计程序模块实现两种网格之间的转换和对应，使得充型过程结束时刻的大网格系统温度场能够精确完整地转换为凝固过程开始时刻的细网格系统的温度场。对这种变网格方法进行了验证，并对实际零件进行了模拟分析。结果表明，变网格方法是一种提高模拟计算效率的有效方法，这种方法能够克服充型和凝固过程采用统一的细网格进行模拟计算而产生的计算时间过长，效率低的缺点，使得铸造过程数值模拟的计算速度大大提高，而计算结果仍能满足工程实用的要求。     

压室慢压射过程流场模拟

气孔是压铸生产中的常见问题,导致这一缺陷的原因之一就是在慢压射过程中压室内的金属液流动卷入了气体.文中在压铸流场模拟的基础上,增加了移动边界条件处理冲头的移动过程,模拟了慢压射过程中压室内流体的流动形态.模拟结果与理论计算值及国外商品化软件的计算结果进行了比较,均比较吻合.